DARPA, des lasers et un internet en orbite

Sles satellites sont infrastructure militaire cruciale pour l’espionnage et les communications. Ils sont également vulnérables aux attaques et aux perturbations. En novembre 2021, trois mois avant d’envahir l’Ukraine, la Russie a tiré un missile sur un satellite disparu. Puis, en octobre, un diplomate russe a déclaré que même les satellites commerciaux pouvaient être des cibles légitimes. Les systèmes satellites utilisés par l’Ukraine ont été piratés et bloqués. Les antennes au sol ont été attaquées.

À la lumière de ce genre de choses, l’establishment militaire américain craint que son réseau satellite ne soit pas à la hauteur. Mais il a un plan. Le nœud de communications adaptatives basé sur l’espaceBACNou Space Bacon, pour ses amis) créera, en cas de succès, un Internet militaire activé par laser en orbite autour de la Terre en s’appuyant sur un certain nombre de satellites qui auraient été lancés de toute façon.

Space Bacon est une idée originale de DARPAla branche de recherche sur les projets spéciaux du ministère de la Défense, et est un écho intrigant en orbite de l’original, terrestre ARPANET, qui a évolué vers Internet. (Il a été ainsi nommé à un moment donné dans DARPAs l’histoire lorsque l’organisation manquait de la D pour la défense.) Le plan est d’équiper autant de satellites nouvellement lancés que possible avec des émetteurs-récepteurs laser qui pourront communiquer avec leurs homologues jusqu’à 5 000 km. Les propriétaires de satellites paieront pour ces émetteurs-récepteurs, mais recevront ensuite des paiements du gouvernement américain pour leur utilisation.

Zipper la lumière fantastique

Space Bacon promet de nombreux avantages. Contrairement à la radio, le mode normal de communication avec et entre les satellites, les transmissions par faisceau laser sont difficiles à intercepter et presque impossibles à bloquer. En effet, les adversaires pourraient même ne pas savoir quand une transmission a lieu, un bonus pour le secret opérationnel.

Les lasers offrent également des débits de données beaucoup plus élevés que les ondes radio. Certaines constellations de satellites utilisent déjà des lasers pour la communication entre les membres, et ceux-ci atteignent environ deux gigabits par seconde (environ 200 fois ce que la radio peut gérer). DARPA, cependant, a demandé aux sous-traitants de Space Bacons de développer des équipements capables de transmettre, dans un seul faisceau, 100 gigabits par seconde. Cela suffit pour que plusieurs films haute définition soient envoyés dans ce laps de temps.

La possibilité de transmettre des informations militaires d’un oiseau à l’autre comme ceci et sans les contraintes imposées par les différences dans les protocoles de communication des satellites fournissant le ferroutage simplifiera grandement les choses. Les satellites individuels ne peuvent télécharger des données que lorsqu’ils se trouvent à portée d’une antenne terrestre appartenant à leur réseau particulier, ou via un autre membre de ce réseau, qui est susceptible de se trouver sur une orbite similaire. Un satellite du système Space Bacon, en revanche, peut transmettre des données à un autre, appartenant éventuellement à un autre opérateur, sur une orbite différente. Et ce satellite peut, à son tour, le transmettre à un autre, jusqu’à ce qu’une antenne au sol appropriée soit à portée de main.

À l’heure actuelle, les retards de notification causés par le manque d’interopérabilité du réseau signifient, par exemple, qu’un char repéré par un satellite peut avoir démarré au moment où sa position a été reçue par quiconque pourrait utiliser l’information. Space Bacon éliminera plus ou moins cette latence.

Il offrira également l’un des avantages tant vantés de l’original ARPANET design, dont Internet a hérité. Il s’agit du réacheminement automatique d’un message si un nœud (c’est-à-dire un satellite particulier ou une station au sol) est désactivé. De plus, en mettant en jeu à peu près toutes les stations au sol pertinentes, des données particulièrement sensibles peuvent, comme l’observe Greg Kuperman, responsable du programme Space Bacons, être acheminées via des antennes dans des endroits où les tentatives d’écoute clandestine finale, transmise par radio, étape du voyage sont considérées comme moins probables.

Le cœur de tout cela est la précision de visée qui sera intégrée aux lasers Space Bacons. Phil Root, chef de DARPAs Strategic Technology Office, dit que réfléchir à cela me coupe le souffle. Satellites en orbite terrestre basse (LEOs, ceux en dessous d’une altitude de 2 000 km, et le type que Space Bacon utilisera pour commencer) se déplacent à environ 7,8 km par seconde, tombant souvent au fur et à mesure. Connecter les têtes optiques sur deux d’entre eux sera une tâche épique. Les progrès ont cependant été impressionnants. Mynaric, une entreprise basée près de Munich qui conçoit des têtes pour Space Bacon, peut ajuster la trajectoire d’un laser de seulement 57,2 millionièmes de degré. A une distance de 1 000 km, cela se traduit par un déplacement du faisceau de moins d’un mètre.

Pour balayer ses lasers en douceur, Mynaric utilise un système de lentilles motorisées et de miroirs inclinables. Un autre entrepreneur, mBryonics de Galway, en Irlande, utilise des signaux électroniques pour modifier la phase des lumières en ajustant minutieusement la direction des faisceaux d’une manière analogue à la redirection des photons à travers une lentille en verre.

Cependant, même avec ces niveaux de précision, les coups directs initiaux sur une tête éloignée seront probablement rares, déclare David Mackey, le meilleur technologue de mBryonics. Les têtes optiques tentant de se connecter effectueront donc ce qu’il appelle des motifs de recherche en spirale aveugle. Lorsqu’un faisceau trouve sa marque, le signal informe le récepteur de la position exacte de l’émetteur. En utilisant une longueur d’onde différente, pour éviter les interférences, le récepteur renvoie ensuite un laser le long du même chemin pour confirmer la connexion. M. Mackey pense que son kit complétera ces poignées de main orbitales en dix secondes.

Les communications par satellite à base de laser existantes reposent sur des capteurs appelés photodiodes. Les débits de données plus élevés de Space Bacons nécessitent une approche différente. Les photons porteurs de message entreront dans un seul brin de fibre optique avec une ouverture d’à peine dix microns de diamètre bien inférieure aux 100 microns d’une photodiode, dont plusieurs peuvent, de toute façon, être nécessaires. Mybryonics espère réussir cette astuce en utilisant un miroir avec une surface incurvée complexe pour rediriger les photons dans un appareil de la taille d’un iPhone qui focalise la lumière et la projette dans le brin de fibre optique.

La spécification des systèmes Space Bacon exige qu’il ne dessine pas plus de 100O de son satellite hôte. Cette limite pose problème au processeur nécessaire pour traduire entre les différents protocoles de données utilisés sur les satellites, pour seulement 40O de ce 100 est disponible pour le faire.

Une entreprise travaillant sur ce sujet est Intel, un fabricant de puces américain. Il conçoit ce que Sergey Shumarayev, le chef de projet, décrit comme un modem de type Rosetta Stone. M. Shumarayev dit que les composants disponibles dans le commerce ont été exclus pour cela parce qu’ils sont trop gros et gourmands en énergie. Il estime que s’ils étaient utilisés, le résultat serait aussi gros qu’une pizza et consommerait 400O. Son équipe essaie de réduire la taille de la pizza dans une boîte d’allumettes en utilisant ce qu’ils appellent des chiplets, au lieu de semi-conducteurs plus gros.

Ramener le BACN à la maison

DARPA veut que Space Bacon coûte un maximum de 100 000 $ par satellite, pour mieux encourager la participation. Cela augure bien qu’Amazon, SpaceX et Viasat, une société de communications par satellite moins connue mais bien établie, conçoivent tous des architectures de commande et de contrôle pour Space Bacon.

Amazon envisage de lancer un haut débit LEO constellation de satellites appelée Project Kuiper. Cela peut incorporer des émetteurs-récepteurs Space Bacon. SpaceX peut les ajouter à mesure qu’il étend Starlink, son haut débit LEO constellation, de son effectif actuel d’environ 3 500 satellites à des dizaines de milliers. Le réseau existant de Viasats est différent. Il est basé sur cinq gros satellites en orbite géosynchrone à 36 000 km au-dessus de la Terre, qui seront rejoints par trois autres au cours des 14 prochains mois. L’entreprise dispose également d’un vaste réseau de stations au sol à apporter à la fête.

Un problème de commande et de contrôle consiste à déterminer des itinéraires optimaux pour la transmission des données. Craig Miller, responsable des systèmes gouvernementaux chez Viasat, dit que c’est plus délicat que de résoudre le problème du voyageur de commerce, un classique des mathématiques. Au fur et à mesure que le réseau se développe, le calcul des itinéraires les plus efficaces devient de plus en plus difficile, et pas seulement parce que les nœuds se déplacent. L’équipe de M. Millers doit également attribuer et prendre en compte des scores de confiance variables pour les sauts de données potentiels, car certains sont plus vulnérables que d’autres à l’action ennemie.

DARPA prévoit de sélectionner les meilleurs sous-systèmes cet été et espère avoir un prototype prêt à être testé dans LEO avant 2025. Si tout va bien, le réseau pourrait alors être étendu aux orbites géosynchrones. Des alliés, estime le Dr Root, pourraient être invités à se joindre. Les adversaires des Amériques surveilleront sans aucun doute de près.

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